（机械制造及其自动化专业论文）基于计算机视觉的刀具磨损检测技术的研究.pdf

沈l ；l f 理i ：人学硕卜学位论文 摘要 刀具磨损检测技术对提高自动化加工效率、刀具的利用率和加工质量、极大 节约生产成本有若十分霞要的意义。在刀具磨损检测技术的各种手段中，基于计 算机视觉的图像处理技术有荷厅便、快捷、无接触、检测精度高等明显优势，本 文采取图像处理的方法对7 j ： 乓磨损图像进行相应处理及检测的关键技术进行了深 入研究，对刀具磨损状态的检测提供了一套叮行的方法。 本文对刀具磨损状态的特征、机理及磨钝标准进行了分析，确定了以刀具的 后刀面磨损图像为研究对象，结合实验所得磨损图像的特点和图像处理的相关技 术，对原始的磨损图像进行了图像预处理、边缘检测、闽值分割等处理，并计算 出了刀具的磨损值。 本文首先通过对原始图像的剪裁、图像增强、中值滤波去噪等一系列预处理， 采用基于自适应遗传算法的o t s u 阂值分割方法求得最优分割阈值t h ，并以此t h 值作为c a n n y 边缘检测的门限值进行边缘提取，获得了清晰的刀具磨损边缘。其 次，通过灰度矩、空间矩和z e r n i k e 矩三种基于矩的哑像素边缘检测方法检测并 获取了更精细的磨损边缘，对这三种算法进行了比较，得出了适合本实验的最优 算法。最后采用链码边界搜索方法对磨损边界进行了完整描述，进而计算出了基 于不同边缘检测算法下的刀具后刀面的磨损量值，并和实际测龟的真值相比较， 结果表明基于图像处理方法所得出的磨损值与实际磨损测量的真值相一致。另一 方面，与该刀具的磨钝标准相比较，若超出磨钝标准值则判定刀具已经报废，需 要换刀，若没有超出，则判定刀具可继续使用。 在上述的基础上，本文对所述图像处理的算法进行了深入研究，开发了刀具 状态检测系统。该系统能够实现对原始图像的读入、预处理、边缘检测、磨损量 测量等功能，通过该检测系统实现了对刀具磨损状态的有效检测。 关键字：刀具磨损检测；图像处理；阈值分割；边缘检测，亚像素 沈研i 理f ：人学硕十学 节论文 a b s t r a c t c u t t i n g t o o lw e a rd e t e c t i o nt e c h n o l o g yi sv e r yi m p o r t a n t i n e n h a n c i n g a u t o m a t i c a l l ym a n u f a c t u r ee f f i c i e n c y , c u t t i n gt o o lu t i l i z a t i o na n dm a n u f a c t u r i n gq u a l i t y , a n dc o s t s a v i n g 。d u r i n gv a r i o u sc u t t i n gt o o lw e a rd e t e c t i o nm e t h o d o l o g i e s ，i m a g e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g yb a s e do nc o m p u t e rv i s i o n h a s t h eo b v i o u sa d v a n t a g e so n c o n v e n i e n c e ，f a s t p r o c e s s ，n o n c o n t a c ta n da c c u r a c yi nd e t e c t i o n t h i st h e s i sh a sd e e p l y i n v e s t i g a t e dt h ek e yt e c h n o l o g yo fi m a g ep r o c e s s i n gf o rc u t t i n gt o o l w e a rd e t e c t i o n ， w h i c hh a sc e r t a i ng u i d a n c ei nc u t t i n gt o o lw e a rd e t e c t i o n t h et h e s i sh a sa n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fc u t t i n gt o o lw e a rc o n d i t i o na n d s t a n d a r do fa b r a s i o n ，f o c u s e do nc u t t i n gt o o lf l a n kw e a ri m a g e ，c a r r i e do u ti m a g e p r e p r o c e s s i n g 、e d g ed e t e c t i o n 、t h r e s h o l ds e g m e n ta n do t h e rt e c h n i q u e so nt h eo r i g i n a l w e a ri m a g ei nl i n ew i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fw e a ri m a g er e s u l tf r o ml a b o r a t o r ya n d r e l e v a n tg r a p ht r e a t m e n tt e c h n i q u e s ，a n dc a l c u l a t e dt h ew e a rv a l u eo fc u t t i n gt o o l s t h r o u g has e r i e si m a g ep r e p r o c e s s i n g ，s u c ha si m a g ec l i p p i n g , e n h a n c i n ga n d m e d i a nf i l t e r i n g ，e r e ，o t s ut h r e s h o l ds e g m e n tm e t h o db a s e do ng at o o b t a i nt h e o p t i m i z e dt hh a sb e e na d o p t e df o rt h eo r i g i n a li m a g e s i nt h et h e s i s ，a n df i n a l l yc o m et o ac l e a rc u t t i n gt o o lw e a re d g ew i t ht h ee d g ed e t e c t i o no ft ha st h eb e s t v a l u eo f c a n n y - e d g ed e t e c t i o n m o r e o v e r , am o r ea c c u r a t ew e a r i n ge d g e h a sb e e nr e a c h e d t h r o u g hs u b p i x e le d g ed e t e c t i o nm e t h o db a s e do ng r e ym o m e n t 、s p a c em o m e n ta n d z e m i k em o m e n t a no p t i m i z e da l g o r i t h mh a sb e e na r r i v e db yt h ec o m p a r i s o no ft h e t h r e ec a l c u l a t i o nm e t h o d si nt h ee x p e r i m e n t s f i n a l l y , t h ec h a i nc o d ee d g es e a r c h i n g a l g o r i t h mh a sb e e na d o p t e dt od e s c r i b et h ew e a ra r e ae d g e s ，w e a r i n gv a l u e so f f l a n ko f c u t t i n gt o o lh a sb e e nf u r t h e rc a l c u l a t e dw i t hd i f f e r e n ta l g o r i t h m s w i t ht h ec o m p a r i s o n o ft h ea c t u a lv a l u ea n dt h ec a l c u l a t e dv a l u e ，t h er e s u l ts h o w st h a t ，t h ew e a rv a l u e o b t a i n e db yi m a g ep r o c e s s i n gi si nl i n ew i t ht h ea c t u a lv a l u e o nt h eo t h e rh a n d ，i ft h e w e a rv a l u ei se x c e e dt h ea b r a s i o ns t a n d a r dv a l u e ，a n dt h e nt h ec u t t i n gt o o lh a st ob e 沈刚理l ：人学硕十。何论文 c h a n g e d ，o t h e r w i s e ，k e e pi ti nu s e i nc o n c l u s i o n ，t h ea l g o r i t h m si nt h et h e s i sa r ed e e p l ys t u d i e da n dt h es y s t e mo f c u t t i n gc o n d i t i o nd e t e c t i o nh a sb e e nw e l ld e v e l o p e d t h i ss y s t e mc a nr e a l i z es o m e f u n c t i o n s ，s u c ha si m a g er e a d i n g ，p r e p r o c e s s i n g ，e d g ed e t e c t i o n ，w e a rm e a s u r e m e n t t h et h e s i ss u r l yh a sc e r t a i ng u i d a n c ei nc u t t i n gt o o lw e a rd e t e c t i o nb a s e do nc o m p u t e r v i s i o n k e yw o r d s ：c u t t i n gw e a rd e t e c t i o n ；i m a g ep r o c e s s i n g ，t h r e s h o l ds e g m e n t e d g ed e t e c t i o ms u b p i x e l 沈理i ：人。t 硕p ：o 化论艾 参考文献 1 t o n s h o f f h kd e v e l o p m e n t sa n dt r e n d si nm o n i t o r in ga n dc o n t r 0 1o f m a c h i n i n gp r o c e s s ，a n r d a i so ft h ec i r p ，1 9 9 8 3 7 ( 2 ) 2 徐宏海等编著数控机床，j 具及其麻用化学j 工：业出版社 3 e d 5 e h a r p ，t o o lm o n i t o r i n gk e e p so ne y eo na u t o m a t e dt u r n in g ，a m e r i c a n m a c h i n i s t ，2 0 0 3 1 3 7 ( 1 0 ) 4 s k u r a d a ，c b r a d l e y am a c h in ev is i o ns y s t e mf o rt 0 0 1w e a l a s s e s s m e n t t r i b o l o g y i n t e r n a t io n a l ，19 9 7 ，1 3 0 ( 4 ) ：2 9 5 3 0 4 5 w w a n g ，y s w o n g ，( ；s t l o n g f l a n kw e a rm e a s u r e m e n tb ys u c c e s s i v e i m a g ea n a l y s i s c o m p u t e r si nl n d u s t r y ，2 0 0 5 ，5 6 ：81 6 8 ： 0 6 张智星著m a t i 。a b 程序设汁弓应用清f # 大学f n 版社 7 罗军辉冯i f 等编著m a t l a b 7 0 住劁像处理中的心j j 机械一l ：, i k j l 版社 8 梁原基 二m a t l a b 的数字图像处理系统研究 长存理工大学颂卜学化论文 ， 2 0 0 8 ，4 9 董霖编著m a t l a b 使用详解电fl 、j k 出版社 1 0 刘冬芳，计算机视谥的j 具状念仵线i 逝控研究，m i 北jl l q k 大学硕 j 学f 、7 ：论 文 ，2 0 0 7 1 2 1 1 梅安华，王箐蕙应用机器视觉检测j j 磨损状态卡j 探正汉测绘科技大学 学报，1 9 9 2 1 2 北京图像图形学学会编图像图形技术研究与应用中吲f 与媒大学出版社 1 3 林玉池等，加【：中心刀具二维视觉 ：；= 测系统的研究，天津大学学报，1 9 9 9 ， 3 2 ( 2 ) ：1 9 7 2 0 0 1 4 张幼祯，会属切削理论，航窄i ：、出版社，1 9 8 7 1 5 许香谷，肖诗纲，金属切削携i 理_ e j j j j t ，重庆大学i t 4j 7 7 圣- k ，1 9 9 0 1 6 m s h i r a i s h i ，s c o p eo fi n p r o c e s sm e a s u r e m e n t ，m o n it o r in ga n dc o n tr o t 一7 8 沈刚理l ：人学硕十。协论文 1 8 l i u ，x i a n l i ，e t a l t o o ld a m a g ea n a l y s i sb a s e do ni m a g i n g p r o c e e d in g s o ft h e1 9 9 8c o n f e r e n c eo na u t o m a t e do p ti c a li n s p e c ti o nf o ri n d u s t r y ： t h e o r y ，t e c h n o l o g y ， a n da p p li c a ti o n suc o r p o r a t e s o u r c e ：h a r b i nu n iv o fs e i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，h a r b i n ，c h i n a 1 9 t a g z o u ts a c h o u rk 。d j e k o u n e0 。h o u g ht r a n s f o r ma l g o r it h mf o r f p g ai m p l e m e n t a t i o n j 。s i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e m 2 0 0 0 3 8 4 - 3 9 3 2 0 勃中鑫。数字图像信息处理北京国防工业出版社2 0 0 3 21 c a n n y j ，ac o m p u t a ti o n a la p p r o a c ht oe d g ed e t e c ti o n p a m i 1 9 8 6 2 2 余成波编著数字图像处理及m a t l a b 实现重庆大学出版社 2 3 m e lm a n s o r i ，f p i e r r o n ，d p a u l m i e r r e d u c t i o no ft o o lw e a ri n m e t a lc u t t i n gu s i n ge x t e m a le l e t r o m o ti v es o u r c e s s u r f a c ea n d c o a t i n g st e c h n o l o g y ，2 0 0 3 ，16 3 ：4 7 2 4 7 7 2 4 j j u r k o v i c ，m k o r o s e c ，j k o p a e ，n e wa p p r o a c hi nt o o lw e a rm e a s u r i n g t e c h n i q u eu s i n gc c dv i s i o ns y s t e m i n t e r n a ti o n a lj o u r n a lo f m a c h i n et o o l s & m a n u f a c t u r e ，2 0 0 5 ，4 5 ：1 0 2 3 1 0 3 0 2 5 王润生图像理解国防科技大学出版社，1 9 9 4 2 6 卢秉恒机械制造技术基础北京：机械工业出版社，1 9 9 9 ，8 ：8 4 川1 2 7 王庆明，程耀东，朱国辉刀具磨损形式与磨钝标准v b 的选取机械1 9 9 6 2 8 孙即祥图像分析北京：科学出版社，2 0 0 5 ，7 ：1 0 6 1 0 7 2 9 王华金属切削力学机械工业出版社，1 9 8 8 3 0 张利，许青等基于计算机视觉的刀具磨损状态识别技术机电工程， 2 0 0 1 3 1 熊四昌基于计算机视觉的刀具磨损状态监测技术的研究 浙江大学博士 学位论文 ，2 0 0 3 ，4 ：5 卜7 4 3 2 m l a n z e t t a an e wf l e x i b l eh i g h - - r e s o l u t i o nv i s i o ns e n s o rf o rt o o l c o n d i t i o nm o n i t o r i n g j o u r n a lo fm a t e r i a l sp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y2 0 0 1 ：7 3 8 2 3 3 朱虹等编著数字图像处理基础北京：科学出版社，2 0 0 5 3 4 路元刚基于c c d 图像的切屑形态参数检测技术研究南京：南京航空航天 大学硕士学位论文，2 0 0 2 7 9 沈同i 理l ：人。节硕十学位论文 吴雪刚二值图像边缘提取的新算法科技创新导报 胡乾斌，李光斌，刘建新加 中- g , j j 库管理系统华中理j 大学学报 章毓晋编著图像处理和分析清华大学出版社 王小平，曹立明遗传算法一理论、应用西安交通大学出版社，2 0 0 2 周铭，周惠基于遗传算法的自适应聚类图像阈值分割方法计算机工 程与应用，2 0 0 5 w h w a n g ，g s h o n g ，y s w o n g f l a n kw e a rm e a s u r e m e n tb yat h r e s h o l d i n d e p e n d e n tm e t h o dw it hs u b p i x e la c c u r a c y i n t e r n a ti o n a lj o u r n a l o fr o a c h i n et o o l s & m a n u f a c l u r e ，2 0 0 6 m i n y a n gy a n g ，o h d a lk w o n at o o lc o n d i t i o nr e c o g n i t i o ns y s t e m u s i n gi m a g ep r o c e s s i n g c o n t r o e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，1 9 9 8 蔡涛，徐固华等基于模糊c 均值与v t a r k o v 随机场的图像分割计算机工程， 2 0 0 7 魏建亮基f 计算机视觉的刀具磨损状态识别技术研究 北京信息科技大 学硕士学位论文